Introducció a la tecnologia de control

1. Introducció a la tecnologia de control

2. Introducció a la tecnologia de control La tecnologia de control. Objectius i evolució Les portes dels centres comercials s’obren i es tanquen automàticament al detectar la presència d’alguna persona, les calefaccions i els condicionadors d’aire mantenen la temperatura programada a l’interior d’un local, els fanals d’il·luminació dels carrers s’encenen en fer-se de nit i s’apaguen al matí, són algunes mostres de les moltes aplicacions de processos d’automatització en la nostra societat. La tecnologia de control abasta tots els procediments i dispositius que permeten automatitzar les màquines i els processos.

3. Introducció a la tecnologia de control La tecnologia de control. Objectius i evolució Els primers aparells de funcionament automàtic es basaven en la tecnologia mecànica, com l’ànec de Jacques de Vaucanson, un autòmat destinat simplement a la distracció, el teler programable de Joseph Marie Jacquard, el regulador de boles de James Watt per a les màquines de vapor. És amb l’aplicació dels coneixements sobre l’electricitat i l’electromagnetisme quan la tecnologia de control comença a ser més efectiva, com el relé electromagnètic, inventat l’any 1844 per Samuel Morse i William Fardeley, simultàniament i per separat, per aplicar-lo a la telegrafia i que posteriorment ha estat un component insubstituïble en aplicacions d’automatització. Regulador de Watt. Ànec de Vaucanson. Teler de Jacquard.

4. Introducció a la tecnologia de control La tecnologia de control. Objectius i evolució És al segle XX que les tecnologies elèctrica, electrònica i informàtica esdevenen predominants i insubstituïbles en la major part de màquines i ginys que funcionen automàticament. La invenció del transistor i, sobretot, del circuit integrat, o xip, permet introduir milions de components electrònics en una àrea de silici molt petita. Els xips constitueixen l’element físic sobre el qual és possible d’introduir els algorismes de control. Els xips dels microprocessadors, que és el nucli dels ordinadors actuals, i de molts controladors, tenen milions de transistors. Un avenç molt important actualment són els autòmats programables o PLC (Programmable Logic Controller), que són petits ordinadors capaços de controlar màquines i circuits a partir d’un programa introduït a la seva memòria. Aquests petits ordinadors estan preparats per a ser emprats en entorns industrials i actualment tenen una posició dominant en els sistemes automàtics destinats a la indústria. El terme automatització prové de la llengua anglesa, del terme automation, que es va començar a emprar l’any 1946 a la companyia General Motors, en les seves cadenes de muntatge d’automòbils, lloc on es van desenvolupar i emprar els primers autòmats programables. Autòmat programable.

5. Introducció a la tecnologia de control La tecnologia de control. Objectius i evolució Finalment ha estat la robòtica que ha fet possible la substitució de capacitats manipulatives dels humans. És el resultat de la integració de diferents enginyeries: la mecànica, la elèctrica, la electrònica i la informàtica. Aquesta tecnologia està molt a prop de fer realitat una antiga aspiració amb força components mítics: l’obtenció d’una màquina capaç de fer els mateixos moviments de l’ésser humà i que el pugui substituir. Rossum’s Universal Robots de Kapel Capek. El terme robot prové del nom d’unes màquines esclaves que apareixien l’obra Rossum’s Universal Robots de l’autor txec Karel Capek i que es va representar teatralment l’any 1920, moment en el que es va començar a usar aquesta paraula.

6. Introducció a la tecnologia de control La tecnologia de control. Objectius i evolució La gran aplicació de la robòtica i el més gran exponent actual de la fabricació automatitzada es troba en la tecnologia de la fabricació integrada per ordinador o CIM (Computer Integrated Manufacturing) La integració de màquines, robots, ordinadors, autòmats programables fan possible la fabricació ajustada a la demanda de productes amb una gran flexibilitat i productivitat, amb la conseqüent reducció de costos i de llocs de treball. El sector de l’automatització demana de professionals ben formats i capacitats per emprar, ajustar i reparar aquests elements electrònics. La producció CIM presenta moltes avantatges entre elles un abaratiment important en els costos, la qual es veu reflectida en productes més econòmics i d’una qualitat molt estable. Cèl·lula CIM.

7. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de control automàtic Els sistemes de control estan compostos per diferents elements que s’anomenen de forma genèrica automatismes. La relació entre aquests automatismes i el procés o màquina sota control és el que anomenem sistema de control, l’objectiu del qual és aconseguir que la màquina o el sistema funcioni amb la mínima intervenció humana. Un sistema de control automàtic té per objectiu aconseguir que una màquina o un procés realitzi les seves funcions reduint al mínim la intervenció humana, tan física com mental.

8. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de control automàtic Hi ha màquines i processos en els quals la intervenció humana es limita, només, a la seva posada en marxa i d’altres semiautomàtics on cal la intervenció de les persones en alguna de les accions que fa la màquina o en algunes fases del procés. El sistema ha de presentar, en alguns casos, a l’operador les informacions més significatives de l’estat del procés per a que en pugui verificar la correcció del procés. El sistema de control es pot considerar com un element afegit a una màquina o procés, el qual segueix fent la mateixa funció, substituint el control manual per un control automàtic. El torn de control numèric (CNC) redueix al mínim la intervenció de les persones en la fabricació de peces. Els components bàsics d’un sistema de control són: la unitat de control, els actuadors, els sensors i els elements auxiliars per al comandament i monitorització. La forma en que un automatisme realitza la seva funció dóna lloc a dos tipus de control: control en llaç obert i control en llaç tancat.

9. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de llaç obert El control en llaç obert es caracteritza perquè, un cop activat, executa el procés durant un temps prefixat, independentment del resultat obtingut. Un sistema de control en llaç obert no supervisa el resultat de la seva acció a la sortida del sistema.

10. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de llaç obert Són els sistemes més senzills i econòmics que realitzen funcions molt simples. Són exemples de control en llaç obert el llum temporitzat d’una escala, la rentadora, un semàfor.. Vegem-ne els motius. El llum temporitzat, com el dels blocs de pisos, el seu automatisme ha de substituir l’acció d’apagar el llum. L’activació s’ha de fer manualment prement un polsador, moment en que els llums s’il·luminen fins que ha passat el temps programat, moment en el que s’apaguen automàticament. El sistema de control no verifica si hem arribat o no a la nostra destinació, el temps programat és fix amb independència del recorregut. La rentadora és una màquina amb diferents automatismes que coordinadament han d’aconseguir de fer neta la roba. La rentadora executa un cicle de treball segons el programa de rentat que s’hagi escollit, el qual va executant seqüencialment els diferents passos, al final s’atura automàticament. El resultat és que ha rentat la roba però no verifica si realment ja està neta, cosa que pot produir-se abans d’acabar el programa, o bé pot arribar al final i estar encara bruta.

11. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de llaç tancat Els sistemes de control en llaç tancat estableixen una supervisió sobre la variable de sortida o resultat final, actuant fins obtenir el resultat desitjat.

12. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de llaç tancat En aquests sistemes un cop donada l’ordre per iniciar el procés, el resultat de la sortida és analitzat i si no compleix el valor de la consigna, el dispositiu de control és informat i manté el procés actiu fins assolir el que estableix la consigna. La consigna és el valor de referència que hom desitja obtenir com a resultat de l’acció del sistema automàtic. Aquest valor pot ser, per exemple, la temperatura programada per una calefacció o condicionador d’aire, el nivell d’aigua a l’interior d’una cisterna. Els sistemes de control en llaç tancat, per ajustar la seva acció, comproven contínuament el valor de la sortida del procés i el comparen amb el valor de la consigna. El procés de mostreig sobre la sortida es fa amb el procés de realimentació que reenvia aquesta informació a l’entrada per a ser comparada amb la consigna i fa reaccionar el dispositiu de control segons el resultat d’aquesta comparació. Analitzem el cas de la calefacció. L’objectiu d’un sistema de calefacció és proporcionar i mantenir una temperatura determinada, per això disposa d’un sistema de conversió d’una font d’energia en calor i d’un dispositiu de regulació o control: el termòstat. Aquest procés si no es controla pot no arribar a la temperatura esperada o sobrepassar-la. El sistema de control en llaç tancat ha d’evitar aquesta situació per tal d’assegurar que la temperatura arribi al valor establert i s’hi mantingui. Per això quan la temperatura és inferior a la indicada com a consigna en el termòstat, ha de mantenir la conversió d’energia i generar calor. Quan la temperatura arriba a un valor superior a l’establert en la consigna s’ha d’aturar la conversió.

13. Introducció a la tecnologia de control Sistemes de llaç tancat En el cas de la cisterna d’aigua de l’inodor, incorpora un sistema d’emplenament automàtic, en la qual ha d’entrar-hi aigua només si el nivell interior està per sota de la consigna i ha d’aturar-ne l’entrada quan ja és plena. És exemple de control amb mecanismes en el qual la vàlvula d’entrada d’aigua s’acciona en funció del nivell interior. La vàlvula s’obre si baixa el nivell i es tanca quan ja és plena. La realimentació es realitza mitjançant el flotador que a través d’un sistema de palanca actua sobre la vàlvula.

14. Introducció a la tecnologia de control Els components d’un automatisme Els automatismes es construeixen amb elements físics que poden implicar diferents tecnologies: mecànica, pneumàtica, hidràulica, elèctrica, electrònica, microelectrònica, els quals poden actuar independentment o bé combinats. De forma genèrica en un sistema de control hi ha tres parts bàsiques: el controlador, els actuadors i els sensors. Fan falta també dispositius auxiliars per interactuar amb el controlador.

15. Introducció a la tecnologia de control Els components d’un automatisme El controlador és el dispositiu del sistema que determina i executa el control del procés per al qual està preparat. Disposa dels elements per a l’activació i desactivació dels dispositius externs, per a la introducció i modificació de la consigna, per a l’accionament dels actuadors, per la recollida d’informació dels sensors i els elements de presentació d’informació, i la lògica de control. En els controladors programables cal que disposin de memòria per emmagatzemar l’algorisme de control, que és el conjunt de passos previstos que contenen el conjunt d’accions que s’han de realitzar sobre els actuadors per controlar el procés segons la informació proporcionada pels sensors i els valors prefixats per les consignes.

16. Introducció a la tecnologia de control Els components d’un automatisme Un actuador és l’element final que fa una acció sobre el procés. Aquest element final pot provocar accions com increments de temperatura, canvis de moviment, variacions de velocitat, variacions de cabal. Com ja heu vist en altres unitats d’aquest llibre, els actuadors poden ser de tecnologia elèctrica, pneumàtica o hidràulica. Actuadors en una màquina.

17. Introducció a la tecnologia de control Els components d’un automatisme Els sensors són dispositius que prenen dades de la situació del procés o de les variables de sortida i les transmeten al controlador. Els sensors, i els seus circuits associats, mesuren magnituds de variables que s’incorporen al llaç de realimentació. La seva sensibilitat i precisió són importantíssims per a un funcionament acurat del control. Sensors d’una estació meteorològica automàtica.

18. Introducció a la tecnologia de control Els components d’un automatisme Els dispositius auxiliars són elements per a la interacció entre l’operador i la màquina. Són necessaris per a l’entrada manual d’informació al controlador per posar-lo en marxa o aturar-lo, per variar-ne les consignes, o per recuperar el control manual. També hi ha dispositius que són necessaris per recollir informació de l’estat del sistema i de l’automatisme i per indicar alarmes. Des del punt de vista del controlador, els actuadors són dispositius externs als que cal enviar la informació per determinar el seu estat. Per això se’ls considera, juntament amb els visualitzadors i indicadors, dispositius de sortida del controlador. Els sensors lliuren informació de l’estat de la màquina o sistema cap el controlador. Per això se’ls considera, juntament amb els polsadors, teclats, etc., dispositius d’entrada del controlador. Sala de control amb dispositius auxiliars per al comandament i la recollida d’informació.

19. Introducció a la tecnologia de control Tecnologia dels controladors Per construir un controlador capaç d’executar un conjunt d’accions sobre el dispositiu a controlar en funció de les dades de consigna i l’estat del sistema, es poden emprar diferents sistemes. El sistemes automàtics amb lògica cablada són els que estan dissenyats per a una funció molt concreta. El seu circuit està realitzat amb components que sovint fan la funció d’elements auxiliars i alhora formen el cor del controlador incorporant la lògica del control en la forma de realitzar les connexions entre els elements. Aquests tipus d’automatismes queden molt restringits en quan a les seves possibilitats. Els sistemes automàtics amb lògica programable disposen d’una gran flexibilitat ja que la lògica de funcionament resideix en un programa informàtic incorporat a la memòria del controlador, el qual es pot modificar sense haver de canviar les connexions del circuit. Això aporta molta flexibilitat a un sistema, una gran reducció de costos i de manteniment, així com una gran reducció del volum de l’equip. També reverteix en una major seguretat i reducció d’avaries. Els controladors programables incorporen microprocessadors o microcontroladors amb una unitat central, memòria, unitats d’entrades i sortides. La lògica de funcionament de l’automatisme al que s’apliquen resideix en l’algorisme del programa emmagatzemat a la seva memòria. L’autòmat programable és un dels elements més emprats actualment en la fabricació d’automatismes. Actuadors: cilindre pneumàic, motor brunzidor i electrovàlvula.

20. Introducció a la tecnologia de control Tecnologia dels controladors Dispositius de sortida Els dispositius de sortida són els actuadors, els presentadors o visualitzadors de dades, els indicadors lluminosos i els acústics. Els actuadors poden ser de diferents tecnologies: motors elèctrics, electroimants, resistències calefactores, les vàlvules i els cilindres pneumàtics, les vàlvules i els cilindres hidràulics, i altres dispositius comandats per algun d’aquests. Els presentadors o visualitzadors de dades donen informació de l’estat d’alguna part del procés o de l’automatisme amb un valor numèric digital o amb una indicació analògica. Els indicadors lluminosos poden ser interpretats per un codi cromàtic, i els acústics , per la freqüència i intensitat del seu so. Poden formar part de panells sinòptics, amb visualitzadors de dígits de numèrics de cristall líquid (LCD) o d’emissors de llum (LED), indicadors d’agulla, pilots de color, pantalles de dades LCD, monitors, etc. Els indicadors acústics habitualment s’empren en les alarmes i poden ser des de petits brunzidors fins a sirenes potents, en els sistemes més complexos poden portar sintetitzadors de veu. Visualitzador analògic (dreta) i visualitzador analogicodigital (esquerra). Visualitzadors digitals.

21. Introducció a la tecnologia de control Tecnologia dels controladors Dispositius d’entrada Els dispositius d’entrada d’un automatisme els podem agrupar en dos conjunts: els elements de comandament i els sensors. - Els elements de comandament o d’entrada d’informació de l’operador són els interruptors, els polsadors, els commutadors, els teclats, els potenciòmetres, etc. - Els sensors recullen informació de la màquina o procés. Estan constituïts per materials sensibles a una determinada magnitud i la converteixen a un altre tipus de magnitud fàcilment integrable al sistema de control. Els sensors habitualment necessiten d’alguns elements auxiliars per adaptar-se a l’aplicació concreta. La gamma de sensors és molt àmplia. Entre els de més aplicació industrial podem esmentar: sensors de temperatura, sensors de pressió, detectors de proximitat, detectors de presència, detectors de nivell, sensors de radiació infraroja, cèl·lules de càrrega (mesura de força), sensors de visió, sensors de velocitat, etcètera. Els sensors i els detectors actuen com els “sentits” de l’automatisme en ser sensibles a determinades magnituds, com ara la pressió, la llum, la força, la composició del material, el color superficial, el magnetisme, etc. La tecnologia dels sensors, tant per a l’aplicació en la mesura de magnituds com per a la detecció, ha donat lloc a tot un camp de l’enginyeria: la sensòrica. Polsadors, interruptors i commutadors. Sensors.